DE19735053C1 - Gasspüleinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Gasspüleinrichtung aus feuer­ festem keramischen Material für metallurgische Schmelzge­ fäße, mit einem, im Einbauzustand der Metallschmelze zuge­ wandten ersten Ende und einem diesem gegenüberliegenden zweiten Ende.

Derartige Gasspüleinrichtungen werden üblicherweise in der Wand oder im Boden eines metallurgischen Behandlungsgefäßes und hier meist mittels eines Lochsteins eingesetzt.

Neben "statischen" Gasspüleinrichtungen, wie sie in einer Übersicht in der Radex-Rundschau 1987, 288 vorgestellt werden, sind in den letzten Jahren auch "mobile" Gasspül­ einrichtungen bekanntgeworden.

Die DE 39 07 887 C2 beschreibt eine Gasspüleinrichtung, die einen axial beweglichen zylindrischen Körper umfaßt, in dem ein am oberen Ende radial austretender Gaskanal angeordnet ist. Je nach Position des zylindrischen Körpers wird der Gasfluß unterbrochen oder freigeschaltet. Ein Problem stellt die Abdichtung zwischen dem mobilen Teil und dem statischen Teil dar.

Durch eine konische Ausbildung des mobilen Teils, wie es in der US 4,687,184 vorgeschlagen wird, läßt sich die Abdichtung zuverlässig einstellen; die bekannte Vorrichtung wird jedoch über einen metallischen Hubzylinder geführt, der eine aufwendige Montage zur Folge hat und durch den es zu thermischen Spannungen zwischen dem keramischen und dem metallischen Material kommt.

Derartige Probleme bestehen auch bei der Gasspüleinrichtung gemäß der US 4,470,582. Der mobile Bauteil weist dabei eine Zylinderform mit spitz zulaufenden Enden auf und liegt mittig in einem zweiteiligen statischen Bauteil ein. Die Gaszufuhr erfolgt über zusätzliche Gaskanäle am oberen und unteren Ende des statischen Bauteils. Zur Konfektionierung des mobilen Bauteils ist ein zweiteiliger Umhüllungsstein vorgesehen, der eine zusätzliche Öffnung für eine Metall­ stange aufweist, über die der mobile Bauteil bewegt wird.

Die DE 196 10 578 C1 offenbart eine Gasspüleinrichtung der eingangs genannten Art, bei der - im Gegensatz zur Aus­ führungsform nach der US 4,687,184 - der mobile Bauteil aus­ schließlich aus keramischem Material besteht und über einen aufgebrachten Gasdruck von einer "Schließposition" in eine "Funktionsposition" geführt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die aus der DE 196 10 578 C1 bekannte Gasspüleinrichtung konstruktiv und funktionell weiterzubilden. Dabei steht vor allem eine Optimierung der Funktionssicherheit der Einrichtung im Vordergrund.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß der aus der DE 196 10 578 C1 bekannte kegelstumpfförmige mobile Bauteil auch als "Doppel-Kegelstumpf" gestaltet werden kann und auf diese Weise sowohl in der Schließposition der Gasspüleinrichtung als auch in der Funktionsstellung jeweils mindestens eine Kegelstumpffläche als Dichtfläche fungiert.

In ihrer allgemeinsten Ausführungsform betrifft die Erfin­ dung danach eine Gasspüleinrichtung aus feuerfestem kera­ mischen Werkstoff für metallurgische Schmelzgefäße mit einem, im Einbauzustand der Metallschmelze zugewandten ersten Ende und einem diesem gegenüberliegenden zweiten Ende, mit folgenden Merkmalen:

• - einem äußeren, statischen Bauteil, das
• - ausgehend vom ersten Ende in Richtung auf das zweite Ende hintereinander eine konisch sich verjüngende Ausnehmung, eine zylindrische Ausnehmung und eine konisch sich erwei­ ternde Ausnehmung aufweist,
• - einem mobilen Bauteil, das eine zu den Ausnehmungen korrespondierende Form mit oberen und unteren konischen Abschnitten und einem mittleren zylindrischen Abschnitt aufweist und mit geringem Spiel in den korrespondierenden Ausnehmungen des statischen Bauteils einliegt,
• - einer Gaszuführleitung, über die ein Gas unter Druck gegen die Unterseite des mobilen Bauteils führbar ist, sowie
• - mindestens einem Gaskanal im mobilen Bauteil, der sich von der Unterseite bis zur Umfangsfläche des mobilen Bauteils im Bereich des mittleren zylindrischen Abschnittes und/ oder des oberen konischen Abschnitts erstreckt.

Im Ergebnis ergibt sich eine "Doppel-Kegelstumpfform" mit mittlerem zylindrischen Abschnitt für den mobilen Teil, der mit geringem Spiel in korrespondierenden Öffnungen des statischen Teils einliegt und entsprechend dem genannten "Spiel" koaxial zum statischen Teil verschiebbar ist.

Dabei wird die Verstellbarkeit des mobilen Teils koaxial zum statischen Teil über die Spaltbreite zwischen dem mobilen Teil und dem statischen Teil definiert.

Üblicherweise wird der Abstand zwischen dem mobilen Teil und dem statischen Teil entlang aller drei Abschnitte (Aus­ nehmungen) identisch sein. Es ist aber auch möglich, die unterschiedliche Wärmedehnung des Materials am ersten und am zweiten Ende zu berücksichtigen und die Spaltbreite zwischen dem mobilen Teil und dem statischen Teil entsprechend vom ersten zum zweiten Ende unterschiedlich auszubilden.

Ohne Gasdruck ergibt sich dabei folgende geometrische Zuord­ nung: der obere kegelstumpfförmige Abschnitt des mobilen Teils liegt auf der Innenfläche der korrespondierenden kegelstumpfförmigen Ausnehmung des statischen Teils auf. Der zylindrische Abschnitt ist entsprechend ein Teilstück nach unten verschoben und ragt geringfügig in die untere kegel­ stumpfförmige Ausnehmung des statischen Teils hinein. Der untere kegelstumpfförmige Abschnitt des mobilen Teils steht im Abstand zur Innenwandung der kegelstumpfförmigen Aus­ nehmung des statischen Teils.

Wird nun über die Gaszuführleitung Gas gegen die Unterseite des mobilen Bauteils geführt, so wird der mobile Bauteil bei entsprechendem Gasdruck gegen die Wirkung der Gravitation angehoben (nach oben gedrückt), wobei sich die Verhältnisse umkehren:
Der untere kegelstumpfförmige Abschnitt des Mobilteils liegt nun gegen die Innenwandung der unteren kegelstumpfförmigen Ausnehmung des statischen Teils an. Der zylindrische Ab­ schnitt ist geringfügig nach oben verschoben und zwischen der Umfangsfläche des kegelstumpfförmigen oberen Abschnitts des Mobilteils und der korrespondierenden Innenfläche der kegelstumpfförmigen Ausnehmung des statischen Teils wird ein Ringspalt ausgebildet.

In beiden Positionen des Mobilteils relativ zum statischen Teil ist auch zwischen dem zylindrischen Abschnitt und der zylindrischen Innenwandung des statischen Teils ein Ring­ spalt vorhanden.

Die Gasströmung erfolgt unter Gasdruck durch die im mobilen Bauteil ausgebildeten Gaskanäle, die in der Mantelfläche des zylindrischen Abschnittes und/oder des oberen kegelstumpf­ förmigen Abschnitts auslaufen und das Behandlungsgas über den Ringspalt in die Metallschmelze leiten.

Der mobile Bauteil kann sich über die gesamte Höhe des statischen Bauteils erstrecken. In diesem Fall wird unter­ seitig am statischen Bauteil eine Gasverteilungskammer aus­ gebildet, deren Querschnitt größer ist als der Querschnitt des unteren Ende des mobilen Bauteils, um so sicherzustellen, daß die Gasverteilkammer gegenüber dem statischen Bauteil abgedichtet ist und den Gasdruck auf den mobilen Bauteil überträgt.

Ebenso ist es möglich, die Einrichtung so zu gestalten, daß der statische Bauteil den mobilen Bauteil untergreift, also nicht nur umfangsseitig, sondern auch unterseitig den mobilen Bauteil einfaßt.

Mit der letztgenannten Ausführungsform wird nicht nur die Sicherheit der Gasspüleinrichtung insgesamt (insbesondere auch gegenüber einer etwaigen Metallschmelzeinfiltration) erhöht, sondern es wird zusätzlich die Möglichkeit geschaffen, in dem Abschnitt unterhalb des mobilen Bauteils eine "interne" Gasverteilkammer auszubilden und/oder eine Durchbruchsicherung zusätzlich vorzusehen.

Derartige Durchbruchsicherungen sind im Stand der Technik in vielfältiger Weise beschrieben, so daß Konstruktion und Auf­ bau dieser Sicherheitseinrichtung hier nicht weiter beschrieben werden brauchen.

Um eine optimale Abdichtung zu erreichen, empfiehlt es sich, die Gasverteilkammer stets so groß auszubilden, daß der Gasdruck auf die gesamte Fläche der Unterseite des mobilen Bauteils wirkt.

Die dimensionsmäßige Abstimmung der konischen und zylin­ drischen Abschnitte des mobilen Bauteils kann anwendungs­ spezifisch erfolgen. Üblicherweise wird die Höhe des oberen konischen Abschnittes jedoch etwa 0,4 bis 0,7 der Gesamthöhe des mobilen Bauteils betragen, während der entsprechende Anteil des zylindrischen Abschnittes kleiner 0,2 und der des unteren konischen Abschnittes etwa zwischen 0,2 bis 0,5 liegt.

Insbesondere der mittlere zylindrische Abschnitt hat im wesentlichen nur die Aufgabe, das "Spiel" zwischen mobilem Bauteil und statischem Bauteil leichter einstellen zu können und eine "Kerbwirkung" im Anschlußbereich zwischen oberem und unterem konischen Abschnitt zu vermeiden. Grundsätzlich kann die Höhe des zylindrischen Abschnittes (in Axialrich­ tung des mobilen Bauteils betrachtet) gegen null gehen.

Ein wichtiges Merkmal für die Funktion der Gasspüleinrich­ tung sind der oder die Gaskanäle im mobilen Bauteil. Die Gaskanäle laufen mit ihrem einen Ende in der Unterseite des mobilen Bauteils aus. Das Gas strömt so über die Gasverteil­ kammer in die Gaskanäle. Das jeweils andere Ende der Gas­ kanäle mündet in der Umfangsfläche des zylindrischen oder oberen konischen (kegelstumpfförmigen) Abschnittes, wobei das Gas jedoch nur in einer "angehobenen" Stellung des mobilen Bauteils aus strömen kann, denn nur in dieser Position wird ein Ringspalt zwischen dem oberen kegelstumpf­ förmigen Abschnitt des mobilen Bauteil und der korrespon­ dierenden kegelstumpfförmigen Öffnung des statischen Bau­ teils ausgebildet.

Um eine möglichst gleichmäßige Gasverteilung zu erreichen, schlägt eine Ausführungsform der Erfindung vor, die Gaskanäle rotationssymmetrisch im mobilen Teil auszubilden.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Merk­ malen der Unteransprüche sowie den sonstigen Anmeldungs­ unterlagen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungs­ beispieles näher beschrieben.

Dabei zeigt die einzige Figur - im Längsschnitt - eine erfindungsgemäße Gasspüleinrichtung.

Diese besteht aus einem äußeren statischen Bauteil 10 und einem inneren, mobilen Bauteil 20.

Der mobile Bauteil 20 besteht aus einem oberen, kegelstumpf­ förmigen Abschnitt 22 mit einem verjüngten unteren Ende, welches in einen zylindrischen Abschnitt 24 übergeht, an den sich ein weiterer kegelstumpfförmiger Abschnitt 26 mit einem verbreiterten unteren Ende anschließt.

Korrespondierend zur Bauform des mobilen Bauteils 20 ist der statische Bauteil 10 ausgebildet. Er weist entsprechend eine obere kegelstumpfförmige Ausnehmung 12, eine sich daran anschließende zylindrische Ausnehmung 14 und eine daran anschließende untere kegelstumpfförmige Ausnehmung 16 auf.

Die Ausnehmungen 12, 14, 16 sind geringfügig größer als die korrespondierenden Abschnitte 22, 24, 26 des mobilen Bau­ teils 20, so daß der mobile Bauteil 20 innerhalb des statischen Bauteils 10 höhenverstellbar (in Axialrichtung) einliegt.

Unterhalb der Unterseite 20u des mobilen Bauteils 20 ist im statischen Bauteil 10 eine Gasverteilungskammer 18 ausge­ bildet, die sich über die gesamte Fläche des Abschnitts 26 erstreckt.

Eine Gaszuführleitung 40 ist durch einen bodenseitigen Teil 10d des statischen Bauteils 10 in den Bereich der Gas­ verteilkammer 18 geführt.

Sowohl der statische Bauteil 10 als auch der mobile Bauteil 20 sind dicht gesinterte keramische Körper.

Ohne Gasdruck würde der mobile Bauteil 20 unter Gravitationseinfluß geringfügig nach unten rutschen, bis der Abschnitt 22 auf der korrespondierenden Innenfläche der Aus­ nehmung 12 aufliegt.

Durch eine sehr präzise Einstellung des Gasdrucks kann der mobile Bauteil 20 anschließend so angehoben werden, daß zwischen dem mobilen Bauteil 20 und dem statischen Bauteil 10 ein durchgehender Ringkanal ausgebildet wird, über den das Gas von der Gasverteilkammer in eine metallurgische Schmelze eingedüst werden kann.

Da dieser "Schwebezustand" des mobilen Bauteils jedoch in der Praxis kaum sichergestellt werden kann, vielmehr der Gasdruck in der Regel so groß sein wird (muß), daß der Ab­ schnitt 26 gegen die Innenfläche der korrespondierenden Aus­ nehmung 16 anliegt (und damit der zuvor beschriebene Ring­ kanal geschlossen ist), sind im dargestellten Ausführungs­ beispiel im Abschnitt 26 zusätzliche Kanäle 42 (hier: vier Stück) ausgebildet, die von der Unterseite 20u koaxial zur Mittenlängsachse M des mobilen Bauteils 20 bis zum oberen Ende des Abschnitts 26 verlaufen und damit im Ringkanal zwischen dem Abschnitt 24 und der zylindrischen Ausnehmung 14 einmünden. Das Gas kann jetzt von der Gasverteil­ kammer 18 durch die Kanäle 42 und den Ringspalt um den zylindrischen Abschnitt 24 in den Ringspalt zwischen Ab­ schnitt 22 und Ausnehmung 12 in die Metallschmelze geführt werden. Gleichzeitig wird durch die gegen die Innen­ fläche der Ausnehmung 16 anliegende Dichtfläche des Abschnitts 26 eine sichere Abdichtung beider Bauteile zuein­ ander gewährleistet, um auch für den Fall, daß Metall­ schmelze zwischen den mobilen Bauteil und den statischen Bauteil eindringen sollte, diese zumindest in diesem Dicht­ bereich "aufgehalten" wird.

Die Herstellung der dargestellten Gasspüleinrichtung kann beispielsweise wie folgt vorgenommen werden:
Zunächst wird der mobile Bauteil 20 hergestellt, zum Bei­ spiel als Preßteil, wobei im Bereich der Gaskanäle 42 ent­ sprechende Stege aus einem ausbrennbaren Material angeordnet werden.

Anschließend wird die Umfangsfläche des mobilen Bauteils 20 mit einer Beschichtung aus einem ausbrennbaren Werkstoff, beispielsweise einem Wachs, versehen.

Der mobile Bauteil 20 wird danach in eine Form eingesetzt, die der äußeren Kontur des statischen Bauteils 10 entspricht, wobei bodenseitig die Gaszuführleitung 40 mit angeschlossener Gasverteilungskammer 18 vorkonfektioniert wird. Der mobile Bauteil 20 wird auf die Gasverteilungs­ kammer 18 gesetzt und der Raum zwischen dem mobilen Bauteil 20 und der Form anschließend mit einem Feuerfestmaterial ausgefüllt, welches nach Aushärtung (Abbinden) den statischen Bauteil 10 bildet.

Schließlich wird die so hergestellte Gasspüleinrichtung anschließend getempert und/oder gebrannt, wobei sowohl die oberflächliche Wachsbeschichtung als auch die Stege im Bereich des Abschnitts 26 ausbrennen und entsprechende Frei­ räume für den späteren Gastransport schaffen.

Claims (8)

1. Gasspüleinrichtung aus einem feuerfesten keramischen Werkstoff für metallurgische Schmelzgefäße mit einem, im Einbauzustand der Metallschmelze zugewandten ersten Ende und einem diesem gegenüberliegenden zweiten Ende, mit folgenden Merkmalen:

• 1.1 einem äußeren, statischen Bauteil (10), das
• 1.2 ausgehend vom ersten Ende in Richtung auf das zweite Ende hintereinander eine konisch sich verjüngende Ausnehmung (12), eine zylindrische Ausnehmung (14) und eine konisch sich erweiternde Ausnehmung (16) aufweist,
• 1.3 einem mobilen Bauteil (20), das eine zu den Ausneh­ mungen (12, 14, 16) korrespondierende Form mit oberen und unteren konischen Abschnitten (22, 26) und mitt­ lerem zylindrischem Abschnitt (24) aufweist und mit geringem Spiel in den korrespondierenden Ausnehmungen (12, 14, 16) des statischen Bauteils (10) einliegt,
• 1.4 einer Gaszuführleitung (40), über die ein Gas unter Druck gegen die Unterseite (20u) des mobilen Bauteils (20) führbar ist, sowie
• 1.5 mindestens einem Gaskanal (42) im mobilen Bauteil (20), der sich von der Unterseite (20u) bis zur Um­ fangsfläche des mobilen Bauteils (20) im Bereich des mittleren zylindrischen Abschnitts (24) und/oder des oberen konischen Abschnitts (22) erstreckt.

2. Gasspüleinrichtung nach Anspruch 1, bei der der statische Bauteil (10) den mobilen Bauteil (20) untergreift.

3. Gasspüleinrichtung nach Anspruch 1, bei der unterhalb der Unterseite (20u) des mobilen Bauteils (20) eine Gasver­ teilkammer (18) angeordnet ist, in die die Gaszuführ­ leitung (40) einmündet.

4. Gasspüleinrichtung nach Anspruch 3, bei der die Gasver­ teilkammer (18) sich über die gesamte Fläche der Unter­ seite (20u) des mobilen Bauteils (20) erstreckt.

5. Gasspüleinrichtung nach Anspruch 3, bei der unterhalb der Gasverteilkammer (18) eine Durchbruchsicherung angeordnet ist.

6. Gasspüleinrichtung nach Anspruch 1, bei der die Höhe des oberen konischen Abschnitts (22) 0,4 bis 0,7, des zylin­ drischen Abschnitts (24) kleiner 0,2 und des unteren konischen Abschnitts (26) 0,2 bis 0,5 der Gesamthöhe des mobilen Bauteils (20) beträgt.

7. Gasspüleinrichtung nach Anspruch 1 mit mehreren Gas­ kanälen (42), die rotationssymmetrisch im mobilen Teil (20) angeordnet sind.

8. Gasspüleinrichtung nach Anspruch 1, bei der der (die) Gaskanal (Gaskanäle) (42) in der Umfangsfläche des zylindrischen Abschnitts (24) unmittelbar im Anschluß­ bereich zum konischen Abschnitt (26) auslaufen.